新型含取代乙烯基香豆素衍生物的合成及其光學性能

鄒漢勛, 汪凌云, 葉德成, 曹德榕

(華南理工大學 化學與化工學院,廣東 廣州 510640)

香豆素具有抗HIV、抗腫瘤、抗微生物、抗氧化等生物活性，是許多藥物的有效組成成分。此外，香豆素還是一類具有高熒光量子效率的光化學材料 ，廣泛用于熒光增白劑、激光染料、有機光敏染料太陽能電池和熒光傳感器等方面[1～7]。

香豆素類化合物的功能很大程度上取決于香豆素環各位置上取代基的性質，尤其是3-位和7-位上取代基的作用更為明顯[8]。研究表明：在香豆素母體的3-位和7-位上引入芳香基、乙烯基等共扼取代基來延長香豆素共軛體系的長度可改變其HOMO-LUMO能差[9，10]，從而帶來新穎的光譜性能。以往的文獻報道主要集中在香豆素的3-位或7-位引入芳香基或苯乙烯基，以延長香豆素的共軛鏈。但在香豆素的3-位和7-位引入芳香基和取代乙烯基的香豆素化合物報道較少[11]。

咔唑類衍生物是一類重要的熒光物質，具有優良的光電物理性質、特殊的剛性結構以及容易在其3,6,9-位進行功能化修飾等優點。

本文合成了3-位含4-溴苯基和7-位含N-辛基咔唑乙烯基的新型香豆素衍生物——3-(4′-溴苯基)-7-(N-辛基-3′-溴咔唑-6′-乙烯基)香豆素(6a)和3-位含4-溴苯基和7-位含對甲氧基苯基乙烯基的新型香豆素衍生物——3-(4′-溴苯基)-7-(4′-甲氧基苯基-1′-乙烯基)香豆素(6b, Scheme 1),其結構經表征UV,1H NMR, IR, MS和熒光光譜表征。以間甲酚為起始原料，在SnCl4/n-Bu3N/(HCHO)n反應條件下制得4-甲基水楊醛(1); 1與4-溴苯乙酸經Perkin反應制得3-(4′-溴苯基)-7-甲基香豆素(2); 2在NBS/過氧化苯甲酰條件下發生取代反應制得3-(4′-溴苯基)-7-溴甲基香豆素(3);3與三苯基膦反應制得香豆素-3-(4′-溴苯基)-7-亞甲基三苯基膦氫溴酸鹽(4)。咔唑經NBS溴代反應、1-溴辛烷取代反應、POCl3/DMF的Vilsmeier反應得到N-辛基-3-溴咔唑-6-醛(5a)。4與5a或對甲氧基苯甲醛(5b)經Wittig反應分別合成了6a和6b。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Yanaco MP-500D型熔點儀(溫度未校正)；Varian Mercury Plus 300型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內標);Shimadzu IR Prestige-21 FTIR-8400s型分光光度計(KBr壓片);PE LS255型熒光分光光度計(CH2Cl2為溶劑)；Shimadzu 3150 PC型紫外-可見吸收光譜儀(CH2Cl2為溶劑)。

所用試劑均為分析純;所有溶劑使用前經干燥處理。

1.2 合成

(1)5a的合成

在單口燒瓶中加入咔唑600 mg(3.59 mmol)的DMF(5 mL)溶液，冰浴冷卻，攪拌下緩慢滴加NBS 700 mg(3.93 mmol)的DMF(20 mL)溶液，滴畢，停止反應。減壓蒸除DMF，殘余物用水洗滌，乙酸乙酯(3×60 mL)萃取，合并萃取液，用無水硫酸鎂干燥，旋蒸脫溶后溶于DMSO(5 mL)中得溶液A。

在溶液A中依次加入50%KOH溶液5 mL, KI 30 mg(0.180 mmol), 四丁基溴化銨58 mg(0.180 mmol)和溴代正辛烷(n-C8H17Br) 1.04 g(5.39 mmol)，氮氣保護,攪拌下于室溫反應15 h。用水洗滌后經氯仿(3×60 mL)萃取，合并萃取液，用無水硫酸鎂干燥，旋蒸脫溶后溶于DMF(5 mL)中得溶液B。

在溶液B中滴加POCl35 mL，滴畢，于90℃反應8 h。傾入冰水(200 mL)中攪拌20 min，用20%氫氧化鈉溶液調至pH 7，用氯仿(3×60 mL)萃取，合并萃取液，用無水硫酸鈉干燥，經柱層析[洗脫劑: A=V(乙酸乙酯) ∶V(石油醚)=1 ∶80]純化得淡黃色粉末5a0.506 g,產率36.5%, m.p.86 ℃～87 ℃;1H NMRδ: 10.08(s, 1H, CHO), 8.55(s, 1H, ArH), 8.03(d,J=8 Hz, 1H, ArH), 7.61(d,J=8 Hz, 1H, ArH), 7.50(d,J=8 Hz, 1H, ArH), 7.33(d,J=8 Hz, 1H, ArH), 4.31(t, 2H, CH2), 1.90～1.83(m, 2H, CH2), 1.40～1.23(m, 10H, CH2), 0.86(t, 3H, CH3);13C NMRδ: 191.5, 144.2, 139.8, 129.4, 128.9, 127.5, 124.7, 124.3, 123.5, 122.0, 113.1, 110.8, 109.3, 43.6, 31.7, 29.3, 29.1, 28.9, 27.2, 22.6, 14.1; IRν: 3 061, 2 926, 2 854, 2 732, 1 692, 1 625, 1 590, 1 480, 1 282, 804, 627 cm-1。

(2)1的合成[12]

在單口燒瓶中依次加入間甲酚3.24 g(30 mmol),三正丁胺2.88 mL(12 mmol), 多聚甲醛1.98 g(66 mmol)和甲苯20 mL，攪拌下快速滴加SnCl40.35 mL(3 mmol),滴畢，于室溫反應30 min;于100 ℃反應12 h。用稀鹽酸調至pH 7，用乙醚(3×60 mL)萃取，合并萃取液，用飽和氯化鈉溶液洗滌，無水硫酸鈉干燥，經柱層析[洗脫劑:V(乙醚) ∶V(石油醚)=1 ∶50]純化得具有苦杏仁味的淡黃色固體11.83 g，產率45%, m.p.60 ℃～61 ℃(59 ℃～60 ℃[12]);1H NMRδ: 11.03(s, 1H, CHO), 9.82(s, 1H, OH), 7.40(d, 1H, ArH), 6.80(d, 1H, ArH), 6.79(s, 1H, ArH), 2.37(s, 3H, CH3)。

(3)2的合成

在單口燒瓶中依次加入11.36 g(10 mmol), 4-溴苯乙酸2.26 g(10.5 mmol)和乙酸酐6 mL，攪拌使其完全溶解，滴加Et3N 4 mL(析出大量白色沉淀)，滴畢，于50 ℃反應5 h(TLC跟蹤)。過濾,濾餅用無水乙醇(3×10 mL)洗滌，真空干燥得白色固體22.09 g，產率66%, m.p.221 ℃～222 ℃;1H NMRδ: 7.79(s, 1H, ArH), 7.61～7.55(m, 4H, ArH), 7.43(d,J=8 Hz, 1H, ArH), 7.18(s, 1H, ArH), 7.12(d,J=8 Hz, 1H, ArH), 2.47(s, 3H, CH3);13C NMRδ: 160.5, 153.7, 143.1, 140.0, 133.8, 131.6, 130.1, 127.7, 125.9, 125.8, 123.0, 117.1, 116.7, 21.9; IRν: 3 085, 3 044, 2 954, 1 687, 1 401, 1 356, 1 334, 956, 732 cm-1; MSm/z: 316.4{[M+H]+}。

(4)3的合成

在單口燒瓶中依次加入2500 mg(1.59 mmol), NBS 325 mg(1.83 mmol)和過氧化苯甲酰22 mg(0.09 mmol),攪拌下加入苯25 mL，抽真空，氮氣保護下回流反應48 h(TLC跟蹤)。減壓蒸除溶劑，殘余物用水洗滌，二氯甲烷(3×60 mL)萃取，合并萃取液，用無水硫酸鈉干燥，經柱層析(洗脫劑: A=1 ∶20)純化得淡黃色片狀固體3488 mg，產率78%, m.p.185 ℃～187 ℃;1H NMRδ: 7.80(s, 1H, ArH), 7.61～7.56(m, 4H, ArH), 7.54(d,J=8 Hz, 1H, ArH), 7.38(s, 1H, ArH), 7.34(d,J=8 Hz, 1H, ArH), 4.54(s, 2H, CH2);13C NMRδ: 160.0, 153.4, 141.8, 139.2, 133.4, 131.3, 130.1, 128.4, 127.6, 125.4, 123.4, 119.3, 116.8, 31.9; IRν: 3 058, 1 716, 1 610, 1 488, 1 252, 736, 638, 517 cm-1; MSm/z: 394.4{[M+H]+}。

(5)4的合成

在反應瓶中加入3400 mg(1.02 mmol)和三苯基膦320 mg(1.22 mmol)的DMF(8 mL)溶液，攪拌下于95 ℃反應24 h(析出大量沉淀)。過濾，濾餅用無水乙醚(3×15 mL)洗滌，真空干燥得白色固體4533 mg，產率80%(直接用于下一步反應)。

(6)6a和6b的合成

在二口燒瓶中依次加入5a30 mg(0.076 mmol)的DMF(1 mL)溶液,K2CO321 mg(0.152 mmol)和少量18-冠-6，抽真空，通氮氣保護，攪拌下于室溫反應15 min；慢慢注射4 50 mg(0.076 mmol)的DMF(2 mL)溶液，加畢，于室溫反應12 h(TLC跟蹤)。加入甲醇(析出沉淀),過濾，濾餅用水洗滌后用混合溶劑[V(二氯甲烷) ∶V(甲醇)=10 ∶1]重結晶得6a31 mg。

用類似方法合成6b。

6a: 橙黃色固體，產率60%, m.p.210 ℃～213 ℃;1H NMRδ: 8.39(s, 1H, ArH), 8.20(s, 1H, ArH), 7.80(s, 1H, ArH), 7.72(d,J=8 Hz, 1H, ArH), 7.39～7.63(m, 10H, ArH), 7.28(d,J=8 Hz, 1H, =CH), 7.16(d,J=16 Hz, 1H, =CH), 4.27(t, 2H, CH2), 1.87～1.84(m, 2H, CH2), 1.33～1.23(m, 10H, CH2), 0.86(t, 3H, CH3);13C NMRδ: 160.5, 154.1, 141.9, 140.9, 139.6, 139.5, 133.8, 132.7, 131.6, 130.1, 128.7, 128.1, 128.0, 125.8, 125.4, 124.5, 124.4, 123.2, 123.0, 122.5, 122.3, 119.4, 118.3, 113.4, 112.1, 110.4, 109.3, 43.4, 31.8, 29.3, 29.2, 28.9, 27.3, 22.6, 14.1; IRν: 3 047, 2 920, 2 852, 1 716, 1 597, 1 478, 1 444, 1 276, 1 133, 948, 516 cm-1; MSm/z: 683.5{[M+H]+}。

6b: 黃綠色固體,產率65%, m.p.235 ℃～237 ℃;1H NMRδ: 7.80(s, 1H, ArH), 7.61～7.43(m, 10H, ArH), 6.91(d,J=8 Hz, 1H, ArH)，7.01(d,J=16 Hz, 2H, CH=CH), 3.85(t, 3H, CH3); IRν: 3 047, 2 922, 2 854, 1 707, 1 596, 1 458, 1 422, 1 256, 1 163, 954, 517 cm-1。

2 結果與討論

2.1 合成

合成5a時，考慮到通過NBS溴代反應在咔唑分子中引入單溴的過程中會產生雙溴代產物，分離困難，因此未做進一步純化;完成合成后再經柱層析純化得5a，避免了中間產物的分離，使合成過程簡單化。

合成2時，反應溫度無需文獻[13]方法采用的乙酸酐回流溫度，于50 ℃反應即可。

Wittig反應是制備烯烴和延長碳鏈重要的方法之一。大多數Wittig反應在均相有機溶劑中進行，膦鹽和強堿反應生成磷葉立德溶液，對反應體系要求無水、無氧，條件較為苛刻。本文合成6時將相轉移催化劑18-冠-6和弱堿性的K2CO3用于催化Wittig反應，膦鹽相界面發生去質子化作用產生的磷葉立德擴散進入有機相與醛反應，使反應順利進行，與一般的Wittig反應條件相比，具有反應條件溫和、后處理簡單的優點。在用Wittig 反應合成6a和6b時，采用K2CO3催化反應還避免了香豆素在強堿條件下開環，不會破壞香豆素的內酯結構。

2.2 6的光學性能

6的UV和熒光譜圖分別見圖1和圖2。由圖1可見，6a在300 nm處出現了對應香豆素環的較弱吸收峰，咔唑環和香豆素環共同作用所產生大共軛結構的強而寬的吸收峰出現在403 nm處。6b的最大吸收峰相對6a有所藍移, 可能是由于助色團所產生的電子效應程度不同所致。380 nm處出現的強而寬的峰對應引入苯環與香豆素環共同作用產生分子內大π共軛體系的π→π*躍遷;與香豆素(300 nm左右處)比較可知，在香豆素3-位和7-位分別引入4-溴苯基和4-甲氧基苯基乙烯基有效地增加了分子的共軛程度，使6b的紫外吸收較香豆素紅移近80 nm。由于6a具有更長的共軛結構，其紫外最大吸收峰比香豆素紅移了近103 nm。

從圖2可以看出，6a和6b的最大熒光發射波長分別為525 nm和495 nm，并且6a比6b具有更強的熒光，這可能與其共軛程度有關，共軛程度越大，離域π電子越容易激發，熒光越易產生，熒光強度往往也較強。比較6a和6b的最大紫外吸收波長和最大熒光發射波長，發現其Stokes位移分別達到122 nm和115 nm，這與3-位或7-位引入芳香基或苯乙烯基的香豆素衍生物(其Stokes位移一般為60 nm～90 nm)[10,14]相比，6a和6b的Stokes位移數值大大增加，這表明同時在香豆素的3-位和7-位分別引入芳香基和取代乙烯基有效延長了其共軛體系，使分子的HOMO和LUMO能差變小，進而導致6a和6b的熒光發射波長發生紅移并使其Stokes位移增大，賦予香豆素衍生物新穎的光譜性能，是優良的候選熒光團；同時大的Stokes位移有利于在進行熒光檢測時，大大減小樣品背景對熒光的干擾。

λ/nm圖 1 6a和6b的UV-vis譜圖Figure 1 UV-vis spectra of 6a and 6b

λ/nm圖 2 6a和6b的熒光譜圖Figure 2 Fluorescence spectra of 6a and 6b

3 結論

以間甲酚為起始原料，合成了2個香豆素衍生物6a和6b,通過對其UV和熒光光譜與分子結構的關系進行研究發現，在UV和熒光譜圖中，6a和6b與香豆素相比，因共軛鏈的增長使其最大吸收波長和最大發射波長紅移；由于6a具有更長的共軛鏈結構，表現出比6b更強的熒光性能。6a和6b的Stokes位移分別為122 nm和115 nm，是優良的候選熒光團。

6a和6b中的溴取代基團可通過Suzuki和Heck偶聯等反應使其共軛體系通過芳香環或烯鍵或炔鍵得以延伸，可構建結構新穎的具有更大π-電子共軛體系的多環芳烴共軛體系，以便更好的應用于熒光探針和傳感材料等方面。

[1] Melavanki R M, Kusanur R A, Kulakarni M V,etal. Role of solvent polarity on the fluorescence quenching of newly synthesized 7,8-benzo-4-azidomethyl coumarin by aniline in benzene-acetonitrile mixtures[J].Journal of Luminescence,2008,128:573-577.

[2] Fu Q, Cheng L L, Zhang Y,etal. Preparation and reversible photo-crosslinking photo-cleavage behavior of 4-methylcoumarin functionalized hyperbranched polyester[J].Polymer,2008,49:4981-4988.

[3] Yu T Z, Zhang P, Zhao Y L,etal. Synthesis and photoluminescent properties of two novel tripodal compounds containing coumarin moieties[J].Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,2009,73:168-173.

[4] Bryan M Wong, Joseph G Cordaro. Coumarin dyes for dye-sensitized solar cells:A long-range-corrected density functional study[J].Journal of Chemical Physics,2008,129:214703-214711.

[5] Ma W H, Xu Q. A Hg2+-selective chemodosimeter based on desulfurization of coumarin thiosemicarbazide in aqueous media[J].Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,2010,76:248-252.

[6] Lin W Y, Lin Y. A coumarin-based chromogenic sensor for transition-metal ions showing iondependent bathochromic shift[J].European Journal of Organic Chemistry,2008:4981-4987.

[7] Kim T K, Lee D N, Kim H J. Highly selective fluorescent sensor for homocysteine and cysteine[J].Tetrahedron Letters,2008,49:4879-4881.

[8] ZhangY Y, Meng X M. Studies on the synthesis and spectra characteristics of stilbenylcoumarin organic materials[J].Dyes and Pigments,2003,56:189-194.

[9] Jousselme B, Blanchard P. Enhancement of theπ-electron delocalization and fluorescence efficiency of 1,6-diphenyl-1,3,5-hexatriene by covalent rigidification[J].Tetrahedron Letters,2000,41:5057-5061.

[10] 張彥英. 新型香豆素熒光材料的合成及其結構與光譜性能的研究[D].大連:大連理工大學,2003.

[11] Xu L H, Zhang Y Y. Synthesis of styrylcoumarins from coumarin diazonium salts and studies on their spectra characteristics[J].Dyes and Pigments,2004,62:283-289.

[12] Payne P, Tyman H P. The synthesis of 2-hydroxymethyl derivatives of phenols[J].Journal of Chemical Research,2006:402-405.

[13] 張彥英,王心亮. 香豆素類化合物的合成及其光譜性質的研究[J].染料與染色,2003,40:68-70.

[14] 鄭偉華,王輝,杜陽吉,等. 熒光香豆素衍生物的合成及其光電性能研究[J].化學研究與應用,2009,21(8):1176-1180.